食用菌生产线搬运机器人的设计与制作

　　摘要：文章通过对六自由度机器人运动学、动力学分析以及轨迹的规划进行分析，建立六自由度机器人的三维仿真模型，完成该机器人的控制系统的开发设计，并将开发的六自由度关节式机器人控制系统稍作调整后实际应用到搬运机器人上，取得了良好的效果。

　　本次度搬运机器人的设计与制作以食用菌生产线为研究生对象，食用菌生产线机械化程度普遍偏低，生产效率低下，其中将食用菌菌筐搬运到床架这道工序需要花费大量的时间、人力。针对这个问题，研究设计了一款搬运机器人，主要运用于食用菌生产线中把装满菌料的菌筐搬运到床架上这一环节，进而提升整个生产环节的生产效率。食用菌生产线搬运机器人的设计包括机械手爪的设计、机器人主体的设计、机器人气功系统的设计以及机器人控制系统的设计。结合所学的机电专业知识，尽可能地多考虑将要涉及到的因素，使所设计的机器人运行精度高，稳定行强。

　　1　设计流程

　　通过查阅机械学科相关的资料，严格按照菌筐的搬运要求，初步制定一个大概的机器人整体的设计方案。参考相似的机械结构运动原理，设计出机械手爪与机器人本体，画出模型图。然后查看机器人设结构计图是否满足要求，若不符合，则修改机器人结构的设计图纸，反复修改，直到满足使用要求。结构图设计完成后，开始机器人的每一个构件选用和细节设计。然后开始搬运机器人动力系统的设计，接着进行机器人控制系统的设计，完成后再对设计进行优化。验证设计是否合理，若不合理，则修改结构、材料；当所有要求达到目标后，开始机器人实物的调试。

　　2　搬运机器人结构设计

　　2.1　搬运机器人手爪设计

　　搬运机器人的手爪主要包括2个部分：手爪框架与气动系统。由于食用菌菌筐为长方体，长490mm，宽370mm，高100mm。要想既能提高机器人的工作效率又能让机器人手爪稳定抓取菌筐，设计了手爪框架。此框架长600mm，宽200mm，高200mm，重约2kg。尺寸上，该手爪适合菌筐的搬运。重量上，机器人本体的手腕负载为6kg，因此该手爪在机器人本体承重的范围内。气动系统由包括：气泵（规格普通）、控制阀（控制进气回路）、气动三联件、节流阀以及气缸等。其中，抓取动作由气缸完成。当框架达到目标位置时，由控制阀控制进气回路，气缸活塞伸出，从而夹紧菌筐，实现菌筐的抓取。当机器人把菌筐送到床架上时，再由控制阀控制进气回路，气缸活塞收缩，实现菌筐的摆放。

　　2.2　搬运机器人本体设计

　　本体主要包括2个机构：位置调整结构和姿态调整结构。设计的机器人主体结构上采用六自由度。其中，位置调整机构（即前3个关节）用于机器人位置的调整，姿态调整结构（即后3个关节）用于机器人姿态的调整。位置调整结构和姿态调整结构共同协作，完成对手臂末端的执行点位置的控制。机器人的6个自由度依次是：腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。机器人具有外形紧凑、体积相对其他工业机器人较小、重量相对较轻，运动稳定，并且可以获得高度精确的搬运路径等特点。

　　本体结构包括机器人底座、机器人腰部件、机器人大小臂、机器人手腕、执行器和驱动装置。底座部件：底座部件由机座、回转部件、传动部件以及电机等组成。底座部件固定在地面或者自动引导车（AGV）上，保证整个机器人的稳定。电机固定在底座上，实现轴的正反转。通过同步带将运动传动给腰部回转轴，并且能够实现回转轴的减速。腰部回转部件：腰部回转部件由腰部支架、回转轴、减速器、电机、制动器等组成。主要用来撑住大臂部件，并且能够实现自身轴的回转。机器人的腰部支架还固有电机，用来驱动大臂回转和小臂回转。大臂部件包括大臂和传动部件。小臂部件：由齿轮减速箱、传动部件、小臂等组成，小臂前端固定电机，用来驱动手腕的回转。手腕部件：由手腕、减速齿轮和传动部件等组成。末端执行器：末端执行器与机械手爪连接。机械手爪本身不能移动，它只能实现菌筐的抓取。而机械手通过与执行器装配，随着执行器的运动而运动。进而实现手爪位置的调整，准确抓取菌筐。

　　3　搬运机器人气动系统设计

　　3.1　搬运机器人动力选取

　　抓取菌筐时，需要较大的驱动力，让手爪能够抓牢菌筐，并且不能让菌筐中的菌瓶收到破环。当然，构造越简单越好，有利于进行设计。由于机器人工作时，周围最好不要有障碍物阻挡，因此，动力系统的远距离操纵简单的话更容易满足要求。考虑到的机器人日后应用于食用菌生产线的工业化生产，机器人可能会大批量生产使用，所以使用的装置必须维修难度低，便于以后的工人的维修，而且价格要便宜，减少工厂生产成本。在进行驱动力、构造以及价格等方面的比较后发现：气动传动的动力较大，驱动速度快，响应速度稍快，结构简单，100℃下的温度影响小，容易实现远距离操控，维修难度低而且价格简单。故选用气压传动作为机械手爪的动力系统。

　　食用菌属于食品类，对于卫生要求很高，气动对比液压，不会弄脏菌瓶。气压传动可以实现长距离供气，只要取较长长度的气管，就可以实现远距离操控，并且构造简单。所以搬运机器人的夹筐机构选择气压当作动力最为合适。气泵可以固定在一个位置，把气管连接于机械手爪上的气缸集中供气。搬运机器人抓筐机构只需气缸获胜的伸出与收缩，2个气缸共同工作，互不影响，所以无须设计复杂的气压回路。气缸的动作很快，工作效率不会被限制，搬运机器人的机械手爪需要频繁进行抓筐的动作，很显然气压传动适用于机械手爪上。

　　3.2　搬运机器人气动系统设计

　　3.2.1　气动系统各部件的选择

　　选用气动系统为机械手爪给予动力。气动系统包括气泵、控制阀、气管以及气缸等。气压传动系统的动力要求偏低，而且气体具有可压缩性，因此气缸的压力能够在一定区间内调节。选用型号为TN20-10-S的气缸。该气缸长88mm，宽62mm，高25mm。经计算，发现该气缸的尺寸能够同机械手爪和食用菌菌筐相互配合。

　　气缸的工作原理为当给从左孔进气时，气缸的活塞向右运动；当从右孔进气时，气缸的活塞向左运动。使用的气缸是直线运动的活塞式的气缸。膜片式气缸密封性能好，无摩擦阻力，无须润滑，气缸行程短，适合抓取菌筐。

　　由于机器人对气泵的压力调节范围要求不大，可以选择普通的气压泵，其排气压力为0.60~0.80MPa就可以满足需求。因此，选用RIBAO的2.5HP型的气泵。

　　综合来看，选择减压阀与空气过滤器联接成的气动二联件即可满足要求。空气过滤器可以滤走空气中的水汽，有干燥的用途。减压阀可以调节气压，让气源保持稳定，避免气源气压突变破环气缸。

　　3.2.2　气动回路的设计

　　由气泵供气，控制阀通1、2时，上料一气缸、上料二气缸的活塞向左运动，机器人的手爪结构抓取菌筐。当控制阀通1、4时，上料一气缸、上料二气缸的活塞向右运动，机器人的手爪结构放下菌筐。

　　4　搬运机器人控制系统的设计

　　搬运机器人的控制系统属于开放式控制系统。虽然机器人本体本省就包括搬运功能，但是不能实现物品的抓取。因此，可以对控制系统的模块进行扩展实现机器人的抓取。搬运机器人的控制系统包括控制柜与示教器。控制柜负责控制机器人本体6个轴的回转、气动手爪的控制以及存储示教系统的程序等。

　　示教分为3个步骤：示教、存储和再现。操作者只要抓取菌筐，把菌筐放到床架上。机器人就能自动把这段过程转变成相应的程序，存储在机器人的控制柜中。之后机器人就可以再现这段过程，实现重复操作，非常符合工厂化生产的理念。示教的一个优点是：无论搬运机器人和菌筐如何移动位置，机器人都可以重复抓取菌筐，使得搬运机器人适应各种工作环境。

　　5　结语

　　经试验后，食用菌生产线搬运机器人工作状况良好，符合预期要求，搬运机器人的设计满足使用要求。

　　参考文献

　　[1]马红卫.基于PLC和视觉检测的搬运机器人控制系统设计[J].工业控制计算机，2019，32（1）：134-135，137.

　　[2]王凯亮，蔡宝龙，华栋，等.气动自平衡式搬运助力机器人的开发[J].中国新通信，2018，20（24）：76-77.

　　（责任编辑：孙兰兰）